送风方式对设备局部降温效果的数值模拟研究<br/>——贴壁射流送风

送风方式对设备局部降温效果的数值模拟研究
——贴壁射流送风

2022-03-22黄龙龙强天伟裴雨露

制冷与空调 2022年1期

黄龙龙强天伟张卓裴雨露

（西安工程大学西安 710048）

0 引言

贴附射流在暖通空调工程领域中的应用日益增多[1]，近年来，西安建筑科技大学李安桂教授团队对此类通风方式进行了详细的研究，贴附射流原理如图1所示。在参数一定的条件下，相对于完整射流，贴附射流可输送到壁面处的风速度更快、空气温度更低，利于设备散热。贴附射流可以视为完整射流的一半，可以按照出口的流速不变，风口宽度加倍来计算[2-4]。

图1 贴壁射流和完整射流分析图Fig.1 Analysis diagram of wall jet and complete jet

因此，针对某种高温设备进行局部通风降温，本文对设备进行贴壁送风时，气流仅对设备上表面降温，同时增加送风口，对两侧面进行送风。已知设备各个表面的散热量，根据需要到达工作地点的气流宽度公式，可以求得风口截面积，中间送风口选用条缝风口贴壁射流吹覆设备上表面，左右两边的风口选择可调节角度的百叶风口各吹向左右两个侧面；风管距离设备的水平距离设置500mm，如图2所示。

图2 设备贴附送风示意图Fig.2 Schematic diagram of air supply attached to equipment

本文利用CFD（Computational Fluid Dynamics）数值模拟方法，分析贴壁射流送风角度以及切向送风角度等因素对设备降温效果的影响。为以后更多学者对贴附射流送风研究提供参考。

1 数值计算模型建立及参数设置

1.1 物理模型建立

根据厂房设备的布置情况进行建模，设备尺寸如表1所示[5]。

表1 房间及设备尺寸大小Table 1 Room and equipment size

对于本文来说，需要对北墙和东墙的送风口、不同运行设备表面、窗户、门处进行相应的网格加密。机房内部网格0.1m，局部加密网格0.05m，共计生成了2053380 个网格，网格划分情况如图3所示。

图3 设备局部网格划分示意图Fig.3 Schematic diagram of local meshing of equipment

1.2 数学模型建立

认为机房气流流态为湍流流动。目前工程应用中的数值模拟方法主要有：直接数值模拟（DNS）、大涡模拟（LES）和基于雷诺平均N-S方程组（RANS）的模型。笔者选用适用于模拟室内气流流动的RANS 中的K-Ɛ模型对机房室内气流组织进行模拟，数学模型控制方程包括：连续性方程、动量方程、能量方程、湍动能方程、耗散率方程，其通式为：

式中：ρ为空气密度；t为时间；V为速度矢量；φ为速度在x、y、z 方向的分量，当φ=1 时，方程变为连续性方程； ΓΦ为各应变量的有效扩散系数；SΦ为广义源项。

1.3 边界条件定义

送风口设为速度入口边界条件，速度设为3m/s，温度设为26.5℃；湍流动能k=0.18 和湍流耗散率E=0.42[7]；本文设备在运行时，所有门窗均开启，这里将门窗设置为自由出流边界条件；房间围护结构采用温度热边界，运行设备的外表面设置为定热流量的壁面热边界条件，不运行设备的外表面设置为固定壁边界。边界条件如表2所示。

表2 边界条件Table 2 Boundary conditions

1.4 求解器参数设置

FLUENT 求解器各求解参数设置如表3所示。

表3 求解器参数设置表Table 3 Solver parameter setting table

2 贴壁射流送风角度对设备降温效果的影响

对于贴壁射流来说，送风射流的角度会影响贴壁射流对壁面的降温效果。本文需要分别送风角度进行模拟，贴壁射流送风角度A 选择0°、5°、10°三个角度进行模拟计算。贴壁射流送风角度示意图如图3所示。送风速度选为5m/s、风口距离设备的水平距离为500mm，只改变送风角度，计算结果如图所示。

图4 贴壁射流送风角度示意图Fig.4 Schematic diagram of air supply angle of wall-mounted jet

在空压机的表面处取A、B、C、D 四个点，分别距离送风口水平距离500mm、1000mm、1500mm、2000mm，如图5（a）所示。用FLUENT后处理分别提取出不同送风角度下，各个测点空气流速，如图6所示。

图5 贴壁射流不同送风角度速度分布图Fig.5 Velocity distribution diagram of wall jet at different air supply angles

图6 不同送风角度下的各测点空气流速Fig.6 Air velocity at each measuring point under different air supply angles

从图中可以看到，随着贴壁射流送风角度的增加，壁面处空气速度衰减的更快。送风角度为0°的时候，各个测点的空气速度最大。

图7 贴壁射流不同送风角度温度分布图Fig.7 Temperature distribution diagram of wall jet at different air supply angles

用FLUENT 后处理分别提取出不同送风角度下，各个测点温度，如图8所示。

图8 不同送风角度下的各测点温度值Fig.8 The temperature value of each measuring point under different air supply angles

可以看到，送风角度为0°的时候，各个测点温度相对来说较低，通风降温效果好。送风角度为10°的时候，测点温度高，通风降温效果差。主要是因为贴壁射流角度小的时候，速度衰减慢，壁面处的空气速度较大，可以较快的带走设备散发的热量。

3 切向射流送风角度对设备降温效果的影响

切向射流角度是指设备对应的左右两侧送风口的角度，因为左右两侧呈对称，这里仅需讨论一侧的送风角度[7]。对于侧面送风口来说，有两个角度需要确定，分别是向下的吹风角度，和吹向设备侧面的切向角度。

3.1 向下射流送风角度

分别选取切向角度B 为5°、15°、30°三个角度，进行模拟计算，送风角度示意图如9所示。送风速度选为5m/s、风口距离设备的水平距离为500mm，左侧送风口距离贴壁送风口距离0.1m，改变送风角度，计算结果如图所示。

图9 向下射流送风角度示意图Fig.9 Schematic diagram of downward jet air supply angle

根据图10 可以看出，随着向下射流送风角度的不断增加，送风射流辐射空压机侧面的区域越大，但是角度增大到30°的时候，送风气流会与地面发生碰撞，改变气流的流动方向，在室内形成涡流，无法从室内的窗户、门排出。图11 表明，随着向下送风角度的增加，送风射流末端覆盖的区域发生了变化，在一定角度范围内，送风角度增加，气流辐射区域越广。但是角度过大，气流会与地面发生碰撞，方向偏移，综上两侧送风口向下的送风角度选择15°为宜。

图10 向下射流不同送风角度速度矢量图Fig.10 Vector diagram of downward jet velocity at different air supply angles

图11 向下射流不同送风角度温度分布图Fig.11 Temperature distribution diagram of downward jet at different air supply angles

3.2 切向射流送风角度

送风口间距不是气流组织的主要影响因素[8]。只要在能够满足夏季空压机房基本热环境的范围内即可。要求不高的精度下，送风口间距范围也比较大。在满足空调区域基本参数的要求下，送风口间距的适当缩小更有利于气流特性的分布，这里选取了三个风口间距0.1m、0.2m、0.3m 进行模拟，发现改变送风口间距对于空压机表面周围的温度影响不大，所以这里选用空压机左右两侧送风口距离中间送风口的间距为0.1m 作为计算标准。分别选取切向角度C 为5°、10°、15°三个角度，进行模拟计算，送风角度示意图如图12所示。送风速度、风口距离保持不变，改变送风角度。计算结果如图所示。

图12 切向射流送风角度示意图Fig.12 Schematic diagram of the air supply angle of the tangential jet

从图13 中可以看到，随着切向送风角度的不断增加，两侧送风口到达设备侧表面的位置越提前（见图13 A 点），直到切向角度为15°的时候，送风射流刚好到达空压机两个侧面交接处，此时部分气流盘旋在空压机侧表面（见图13（c）），这部分的气流无法排出室外。随着角度的增加，送风射流末端覆盖的区域发生了变化（见图13），角度较小的时候，送风气流到达侧表面较晚，角度过大的时候，送风气流会吹向设备的另一个面。综上所述，两侧的切向送风角度选择10°为宜。